Чему равен заряд электрона в физике. Электрон, раздел «Физик. Масса покоя электрона

Электрон - фундаментальная частица, одна из тех, что являются структурными единицами вещества. По классификации является фермионом (частица с полуцелым спином, названа в честь физика Э. Ферми) и лептоном (частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии, одном из четырех основных в физике). Барионное равно нулю, как и других лептонов.

До недавнего времени считалось, что электрон - элементарная, то есть неделимая, не имеющая структуры частица, однако сейчас ученые другого мнения. Из чего состоит электрон по представлению современных физиков?

История названия

Еще в Древней Греции естествоиспытатели заметили, что янтарь, предварительно натертый шерстью, притягивает к себе мелкие предметы, то есть проявляет электромагнитные свойства. Свое название электрон получил от греческого ἤλεκτρον, что и означает "янтарь". Термин предложил Дж. Стоуни в 1894 году, хотя сама частица была открыта Дж. Томпсоном в 1897 году. Обнаружить ее было сложно, причиной этому служит малая масса, и заряд электрона стал в опыте по нахождению решающим. Первые снимки частицы получил Чарльз Вильсон с помощью специальной камеры, которая применяется даже в современных экспериментах и названа в его честь.

Интересен факт, что одной из предпосылок к открытию электрона является высказывание Бенджамина Франклина. В 1749 году он разработал гипотезу, согласно которой, электричество - это материальная субстанция. Именно в его работах были впервые применены такие термины, как положительный и отрицательный заряды, конденсатор, разряд, батарея и частица электричества. Удельный заряд электрона принято считать отрицательным, а протона - положительным.

Открытие электрона

В 1846 году понятие «атом электричества» стал использовать в своих работах немецкий физик Вильгельм Вебер. Майкл Фарадей открыл термин «ион», который сейчас, пожалуй, знают все еще со школьной скамьи. Вопросом природы электричества занимались многие именитые ученые, такие как немецкий физик и математик Юлиус Плюккер, Жан Перрен, английский физик Уильям Крукс, Эрнст Резерфорд и другие.

Таким образом, прежде чем Джозеф Томпсон успешно завершил свой знаменитый опыт и доказал существование частицы меньшей, чем атом, в этой сфере трудилось множество ученых, и открытие было бы невозможно, не проделай они этой колоссальной работы.

В 1906 году Джозеф Томпсон получил Нобелевскую премию. Опыт заключался в следующем: сквозь параллельные металлические пластины, создававшие электрическое поле, пропускались пучки катодных лучей. Затем они должны были проделать такой же путь, но уже через систему катушек, создававших магнитное поле. Томпсон обнаружил, что при действии электрического поля лучи отклонялись, и то же самое наблюдалось при магнитном воздействии, однако пучки катодных лучей не меняли траектории, если на них действовали оба этих поля в определенных соотношениях, которые зависели от скорости частиц.

После расчетов Томпсон узнал, что скорость этих частиц существенно ниже скорости света, а это значило, что они обладают массой. С этого момента физики стали считать, что открытые частицы материи входят в состав атома, что впоследствии и подтвердилось Он назвал ее «планетарная модель атома».

Парадоксы квантового мира

Вопрос о том, из чего состоит электрон, достаточно сложен, по крайней мере, на данном этапе развития науки. Прежде чем рассматривать его, нужно обратиться к одному из парадоксов квантовой физики, которые даже сами ученые не могут объяснить. Это знаменитый эксперимент с двумя щелями, объясняющий двойственную природу электрона.

Его суть в том, что перед «пушкой», стреляющей частицами, установлена рамка с вертикальным прямоугольным отверстием. Позади нее находится стена, на которой и будут наблюдаться следы от попаданий. Итак, для начала нужно разобраться, как ведет себя материя. Проще всего представить, как запускаются машиной теннисные мячики. Часть шариков попадает в отверстие, и следы от попаданий на стене складываются в одну вертикальную полосу. Если на некотором расстоянии добавить еще одно такое же отверстие, следы будут образовывать, соответственно, две полосы.

Волны же в такой ситуации ведут себя по-другому. Если на стене будут отображаться следы от столкновения с волной, то в случае с одним отверстием полоса тоже будет одна. Однако все меняется в случае с двумя щелями. Волна, проходя через отверстия, делится пополам. Если вершина одной из волн встречается с нижней частью другой, они гасят друг друга, и на стене появится интерференционная картина (несколько вертикальных полос). Места на пересечении волн оставят след, а места, где произошло взаимное гашение, нет.

Удивительное открытие

С помощью вышеописанного эксперимента ученые могут наглядно продемонстрировать миру различие между квантовой и классической физикой. Когда они стали обстреливать стену электронами, на ней проявлялся обычный вертикальный след: некоторые частицы, точно так же как теннисные мячики, попадали в щель, а некоторые нет. Но все изменилось, когда возникло второе отверстие. На стене проявилась Сначала физики решили, что электроны интерферируют между собой, и решили пускать их по одному. Однако уже спустя пару часов (скорость движущихся электронов все же гораздо ниже скорости света) снова стала проявляться интерференционная картина.

Неожиданный поворот

Электрон, вместе с некоторыми другими частицами, такими как фотоны, проявляет корпускулярно-волновой дуализм (также применяется термин "квантово-волновой дуализм"). Подобно одновременно и жив, и мертв, состояние электрона может быть как корпускулярным, так и волновым.

Однако следующий шаг в этом эксперименте породил еще больше загадок: фундаментальная частица, о которой, казалось, известно все, преподнесла невероятный сюрприз. Физики решили установить у отверстий наблюдательное устройство, чтобы зафиксировать, через какую именно щель проходят частицы, и каким образом они проявляют себя в качестве волны. Но как только было поставлен наблюдательный механизм, на стене появились только две полосы, соответствующие двум отверстиям, и никакой интерференционной картины! Как только «слежку» убирали, частица вновь начинала проявлять волновые свойства, будто знала, что за ней уже никто не наблюдает.

Еще одна теория

Физик Борн предположил, что частица не превращается в волну в прямом смысле слова. Электрон «содержит» в себе волну вероятности, именно она дает интерференционную картину. Эти частицы обладают свойством суперпозиции, то есть могут находиться в любом месте с определенной долей вероятности, поэтому их и может сопровождать подобная «волна».

Тем не менее результат налицо: сам факт наличия наблюдателя влияет на результат эксперимента. Кажется невероятным, но это не единственный пример подобного рода. Физики проводили опыты и на более крупных частях материи, однажды объектом стал тончайший отрез алюминиевой фольги. Ученые отметили, что один только факт некоторых измерений влиял на температуру предмета. Природу подобных явлений они объяснить пока еще не в силах.

Структура

Но из чего состоит электрон? На данный момент современная наука не может дать ответ на этот вопрос. До недавнего времени он считался неделимой фундаментальной частицей, сейчас же ученые склоняются к тому, что он состоит из еще более мелких структур.

Удельный заряд электрона также считался элементарным, но теперь открыты кварки, имеющие дробный заряд. Существует несколько теорий относительно того, из чего состоит электрон.

Сегодня можно увидеть статьи, в которых заявляется, что ученым удалось разделить электрон. Однако это верно лишь отчасти.

Новые эксперименты

Советские ученые еще в восьмидесятых годах прошлого века предположили, что электрон возможно будет разделить на три квазичастицы. В 1996 году удалось разделить его на спинон и холон, а недавно физиком Ван ден Бринком и его командой частица была разделена на спинон и орбитон. Однако расщепления удается добиться только в специальных условиях. Эксперимент может проводиться в условиях крайне низких температур.

Когда электроны «остывают» до абсолютного нуля, а это около -275 градусов по Цельсию, они практически останавливаются и образуют между собой нечто вроде материи, будто сливаясь в одну частицу. В таких условиях физикам и удается наблюдать квазичастицы, из которых «состоит» электрон.

Переносчики информации

Радиус электрона очень мал, он равен 2,81794 . 10 -13 см, однако выходит, что его составляющие имеют намного меньший размер. Каждая из трех частей, на которые удалось «разделить» электрон, несет в себе информацию о нем. Орбитон, как следует из названия, содержит данные об орбитальной волне частицы. Спинон отвечает за спин электрона, а холон сообщает нам о заряде. Таким образом, физики могут наблюдать отдельно различные состояния электронов в сильно охлажденном веществе. Им удалось проследить пары «холон-спинон» и «спинон-орбитон», но не всю тройку вместе.

Новые технологии

Физикам, открывшим электрон, пришлось ждать несколько десятков лет до тех пор, пока их открытие было применено на практике. В наше время технологии находят использование уже через несколько лет, достаточно вспомнить графен - удивительный материал, состоящий из атомов углерода в один слой. Чем будет полезно расщепление электрона? Ученые предрекают создание скорость которого, по их мнению, в несколько десятков раз больше, чем у самых мощных современных ЭВМ.

В чем тайна квантовой компьютерной технологии? Это можно назвать простой оптимизацией. В привычном компьютере минимальная, неделимая часть информации - это бит. И если мы считаем данные чем-то визуальным, то для машины варианта только два. Бит может содержать либо ноль, либо единицу, то есть части двоичного кода.

Новый метод

Теперь давайте представим, что в бите содержится и ноль, и единица - это «квантовый бит», или «кьюбит». Роль простых переменных будет играть спин электрона (он может вращаться либо по часовой стрелке, либо против). В отличие от простого бита, кьюбит может выполнять одновременно несколько функций, за счет этого и будет происходить увеличение скорости работы, малая масса и заряд электрона здесь не имеют значения.

Объяснить это можно на примере с лабиринтом. Чтобы выбраться из него, нужно перепробовать множество различных вариантов, из которых правильным будет только один. Традиционный компьютер пусть и решает задачи быстро, но все же в один момент времени может работать только над одной-единственной проблемой. Он переберет по одному все варианты путей, и в итоге обнаружит выход. Квантовый же компьютер, благодаря двойственности кьюбита, может решать множество задач одновременно. Он пересмотрит все возможные варианты не по очереди, а в единый момент времени, и тоже решит задачу. Трудность пока состоит только в том, чтобы заставить множество квантов работать над одной задачей - это и будет основой компьютера нового поколения.

Применение

Большинство людей пользуется компьютером на бытовом уровне. С этим пока отлично справляются и обычные ПК, однако чтобы прогнозировать события, зависящие от тысяч, а может и сотен тысяч переменных, машина должна быть просто огромна. же легко справится с такими вещами, как прогнозирование погоды на месяц, обработка данных по стихийным бедствиям и их предсказание, а также будет совершать сложнейшие математические вычисления со многими переменными за долю секунды, и все это с процессором величиной в несколько атомов. Так что возможно, уже очень скоро наши самые мощные компьютеры будут толщиной с лист бумаги.

Сохранение здоровья

Квантовые компьютерные технологии внесут огромный вклад в медицину. Человечество получит возможность создавать наномеханизмы с мощнейшим потенциалом, с их помощью можно будет не только диагностировать болезни, просто посмотрев на весь организм изнутри, но и оказывать медицинскую помощь без хирургического вмешательства: мельчайшие роботы с «мозгами» отличного компьютера смогут выполнять все операции.

Неизбежна революция и в сфере компьютерных игр. Мощные машины, способные мгновенно решать задачи, смогут воспроизводить игры с невероятно реалистичной графикой, не за горами уже и компьютерные миры с полным погружением.

Электрон - отрицательно заряженная элементарная частица, принадлежащая к классу лептонов (см. Элементарные частицы), носитель наименьшей известной сейчас массы и наименьшего электрического заряда в природе. Открыт в 1897 г. английским ученым Дж. Дж. Томсоном.

Электрон - составная часть атома, число электронов в нейтральном атоме равно атомному номеру, т. е. числу протонов в ядре.

Первые точные измерения электрического заряда электрона провел в 1909-1913 гг. американский фиаик Р. Милликен. Современное значение абсолютной величины элементарного заряда составляет единиц СГСЭ или примерно Кл. Считается, что этот заряд действительно «элементарен», т. е. он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными.

Вы, возможно, слышали о кварках с электрическими зарядами и но, по-видимому, они прочно заперты внутри адронов и в свободном состоянии не существуют. Вместе с постоянной Планка h и скоростью света с элементарный заряд образует безразмерную постоянную = 1/137. Постоянная тонкой структуры - один из важнейших параметров квантовой электродинамики, она определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий (наиболее точное современное значение = 0,000015).

Масса электрона г (в энергетических единицах ). Если справедливы законы сохранения энергии и электрического заряда, то запрещены любые распады электрона, такие, как и т. п. Поэтому электрон стабилен; экспериментально получено, что время его жизни не менее лет.

В 1925 г. американские физики С. Гаудсмит и Дж. Уленбек для объяснения особенностей атомных спектров ввели внутренний момент количества движения электрона - спин (s). Спин электрона равен половине постоянной Планка , но физики обычно говорят просто, что спин электрона равен = 1/2. Со спином электрона связан его собственный магнитный момент . Величина эрг/Гс называется магнетоном Бора МБ (это принятая в атомной и ядерной физике единица измерения магнитного момента; здесь h - постоянная Планка, и m - абсолютная величина заряда и масса электрона, с - скорость света); числовой коэффициент - это -фактор электрона. Из квантовомеханического релятивистского уравнения Дирака (1928) следовало значение т. е. магнитный момент электрона должен был равняться в точности одному магнетону Бора.

Однако в 1947 г. в опытах было обнаружено, что магнитный момент примерно на 0,1% больше магнетона Бора. Объяснение этого факта было дано с учетом поляризации вакуума в квантовой электродинамике. Весьма трудоемкие вычисления дали теоретическое значение (0,000000000148), которое можно сравнить с современными (1981) экспериментальными данными: для электрона и позитрона (0,000000000050).

Величины вычислены и измерены с точностью до двенадцати знаков после запятой, причем точность экспериментальных работ выше точности теоретических расчетов. Это самые точные измерения в физике элементарных частиц.

Особенностями движения электронов в атомах, подчиняющегося уравнениям квантовой механики, определяются оптические, электрические, магнитные, химические и механические свойства веществ.

Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях (см. Единство сил природы). Так, вследствие электромагнитного процесса происходит аннигиляция электрона и позитрона с образованием двух -квантов: . Электроны и позитроны высоких энергий могут участвовать и в других процессах электромагнитной аннигиляции с образованием адронов: адроны. Сейчас такие реакции усиленно изучаются на многочисленных ускорителях на встречных -пучках (см. Ускорители заряженных частиц).

Электроном является элементарная частица, являющаяся одной из главных единиц в структуре вещества. Заряд электрона отрицательный. Самый точные измерения были сделаны в начале двадцатого века Милликеном и Иоффе.

Заряд электрона равен минус 1,602176487 (40)*10 -1 9 Кл.

Через эту величину измеряется электрический заряд других мельчайших частиц.

Общее понятие об электроне

В физике элементарных частиц говорится, что электрон — неделимый и не обладающий структурой. Он задействован в электромагнитных и гравитационных процессах, принадлежит к лептоновой группе, так же как и его античастица — позитрон. Среди других лептонов обладает самым легким весом. Если электроны и позитроны сталкиваются, это приводит к их аннигиляции. Подобная пара может возникнуть из гамма-кванта частиц.

До того как измерили нейтрино, именно электрон считался самой легкой частицей. В квантовой механике его относят к фермионам. Также электрон имеет магнитный момент. Если к нему относят и позитрон, то разделяют позитрон как положительно заряженную частицу, а электрон называют негатроном, как частицу с отрицательным зарядом.

Отдельные свойства электронов

Электроны относят к первому поколению лептонов, со свойствами частиц и волн. Каждый из них наделен состоянием кванта, которое определяют в результате измерения энергии, спиновой ориентации и других параметров. Принадлежность к фермионам у него раскрывается через невозможность нахождения в одном состоянии кванта одновременно двух электронов (по принципу Паули).

Его изучают так же, как квазичастицу в периодическом кристаллическом потенциале, у которой эффективная масса способна существенно отличаться от массы в состоянии покоя.

Посредством движения электронов происходит электрический ток, магнетизм и термо ЭДС. Заряд электрона в движении образует магнитное поле. Однако внешнее магнитное поле отклоняет частицу от прямого направления. При ускорении электрон приобретает способность поглощения или излучения энергии в качестве фотона. Из его множества состоят электронные атомические оболочки, число и положение которых определяют химические свойства.

Атомическая масса в основном состоит из ядерных протонов и нейтронов, в то время как масса электронов состовляет порядка 0,06 % от всего атомного веса. Электрическая сила Кулона является одной из главных сил, способных удерживать электрон рядом с ядром. Но когда из атомов создаются молекулы и возникают химические связи, электроны перераспределяются в новом образованном пространстве.

В появлении электронов участвуют нуклоны и адроны. Изотопы с радиоактивными свойствами способны излучать электроны. В условиях лабораторий эти частицы могут изучаться в специальных приборах, а например, телескопы могут детектировать от них излучения в плазменных облаках.

Открытие

Электрон открыли немецкие физики в девятнадцатом веке, когда изучали катодные свойства лучей. Затем другие ученые стали более детально изучать его, выводя в ранг отдельной частицы. Изучалось излучение и другие связанные физические явления.

К примеру, группа во главе с Томсоном оценила заряд электрона и массу катодных лучей, отношения которых, как она выяснили, не зависят от материального источника.
А Беккерель выяснил, что минералы излучают радиацию сами по себе, а их бета-лучи способны отклоняться посредством воздействия электрического поля, причем у массы и заряда сохранялось то же отношение, что и у катодных лучей.

Атомная теория

Согласно этой теории, атом состоит из ядра и электронов вокруг него, расположенных в виде облака. Они находятся в неких квантованных состояниях энергии, изменение которых сопровождается процессом поглощения или излучения фотонов.

Квантовая механика

В начале двадцатого века была сформулирована гипотеза, согласно которой материальные частицы имеют свойства как собственно частиц, так и волн. Также и свет способен проявляться в виде волны (ее называют волной де Бройля) и частиц (фотонов).

В результате было сформулировано знаменитое уравнение Шредингера, где описывалось распространение электронных волн. Этот подход и назвали квантовой механикой. При помощи него вычисляли электронные состояния энергии в атоме водорода.

Фундаментальные и квантовые свойства электрона

Частица проявляет фундаментальные и квантовые свойства.

К фундаментальным относятся масса (9,109*10 -31 килограмм), элементарный электрический заряд (то есть минимальная порция заряда). Согласно тем измерениям, что проведены до настоящего времени, у электрона не обнаруживается никаких элементов, способных выявить его субструктуру. Но некоторые ученые придерживаются мнения, что он является точечной заряженной частицей. Как указано в начале статьи, электронный электрический заряд - это -1,602*10 -19 Кл.

Являясь частицей, электрон одновременно может быть волной. Эксперимент с двумя щелями подтверждает возможность его одновременного прохождения через обе из них. Это вступает в противоречие со свойствами частицы, где каждый раз возможно прохождение только через одну щель.

Считается, что электроны имеют одинаковые физические свойства. Поэтому их перестановка, с точки зрения квантовой механики, не ведет к изменению системного состояния. Волновая функция электронов является антисимметричной. Поэтому ее решения обращаются в нуль тогда, когда одинаковые электроны попадают в одно квантовое состояние (принцип Паули).

Электрон
Electron

Электрон – самая лёгкая отрицательно заряженная частица, составная часть атома. Электрон в атоме связан с центральным положительно заряженным ядром электростатическим притяжением. Он имеет отрицательный заряд е = 1.602 . 10 -19 Кл, массу m е = 0.511 МэВ/с 2 = 9.11 . 10 -28 г и спин 1/2 (в единицах ћ), т.е. является фермионом. Магнитный момент электрона μ е >>μ В, где μ В = ећ/2m е с – магнетон Бора (использована Гауссова система единиц), что согласуется с моделью точечноподобной бесструктурной частицы (согласно опытным данным размер электрона < 10 -17 см). В пределах точности эксперимента электрон стабильная частица. Его время жизни
τ е > 4.6 . 10 26 лет.
Электрон принадлежит к классу лептонов, т.е. не участвует в сильном взаимодействии (участвует в остальных – электромагнитном, слабом и гравитационном). Описание электромагнитного взаимодействия электрона даётся квантовой электродинамикой – одним из разделов квантовой теории поля). У электрона имеется специальная характеристика, присущая лептонам, – электронное лептонное число + 1.
Античастицей электрона является позитрон е + , отличающийся от электрона только знаками электрического заряда, лептонного числа и магнитного момента.

Основные характеристики электрона

Электрон – первая из открытых элементарных частиц – был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 г. Изучая характеристики газового разряда, Томсон показал, что катодные лучи, образующиеся в разрядной трубке, состоят из отрицательно заряженных частиц вещества. Отклоняя катодные лучи в электрических и магнитных полях, он определил отношение заряда к массе этих частиц e/m = 6.7·10 17 ед. СГСЭ/г (современное значение 5.27·10 17 ед. СГСЭ/г). Он показал, что катодные лучи представляют собой поток более лёгких, чем атомы, частиц и не зависят от состава газа. Эти частицы были названы электронами. Открытие электрона и установление того факта, что все атомы содержат электроны, явилось важной информацией о внутреннем строении атома.

). Согласно изменениям определений основных единиц СИ точно равен 1,602 176 634⋅10 −19 А·с. Тесно связан с постоянной тонкой структуры , описывающей электромагнитное взаимодействие .

Квантование электрического заряда

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен одному элементарному - такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1910 году .

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда . При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

Дробный электрический заряд

Неоднократные поиски долгоживущих свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.

Стоит, однако, отметить, что электрический заряд квазичастиц также может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла .

Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

Число Авогадро и постоянная Фарадея

Эффект Джозефсона и константа фон Клитцинга

Другим точным методом измерения элементарного заряда является вычисление его из наблюдения двух эффектов квантовой механики : эффекта Джозефсона , при котором возникают колебания напряжения в определённой сверхпроводящей структуре и квантового эффекта Холла , эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Постоянная Джозефсона

где h - постоянная Планка , может быть измерена непосредственно с помощью эффекта Джозефсона .

может быть измерена непосредственно с помощью квантового эффекта Холла .

Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:

Примечания

1. Elementary charge (англ.) . The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty . . Дата обращения 20 мая 2016.
2. Значение в единицах СГСЭ приведено как результат пересчёта значения CODATA в кулонах с учётом того факта, что кулон точно равен 2 997 924 580 единицам электрического заряда СГСЭ (франклинам или статкулонам).